徐 勇，侯伯鋒，魏立明

吉林建筑大學 電氣與計算機學院,長春 130118

由于樓宇等公共場所普遍存在“長明燈”現(xiàn)象,造成了大量的電源損耗,為了提供相對舒適更加現(xiàn)代化的辦公環(huán)境,國內(nèi)外專家學者針對此問題提出了多種解決方案,其中總線技術(shù)是一種較為成熟的技術(shù).基于此,本文設計了一種以CAN總線為通訊方式的樓宇智能照明控制系統(tǒng)[1].

1 系統(tǒng)總體方案設計

1.1 CAN總線原理

CAN通信協(xié)議主要是指在設備之間交換信息的一種方法.CAN總線上有兩根雙絞線,根據(jù)它們之間的電位差CAN控制器可以判斷出總線電平.控制器與智能節(jié)點之間通過使總線電平發(fā)生變化實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互.此外,CAN總線方便配置,允許將新節(jié)點直接加入設計和搭建CAN總線的應用控制系統(tǒng)中[2].

1.2 系統(tǒng)設計思路

本文設計了一種以STM32單片機為主控芯片的樓宇智能照明控制系統(tǒng).系統(tǒng)將傳感器連接到CAN智能節(jié)點電路上,以檢測當前環(huán)境的照度和人員數(shù)據(jù),并通過CAN協(xié)議與主控制器通信,實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制,進而實現(xiàn)有人則燈亮,無人則燈滅,并且當開啟自動調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)時,系統(tǒng)能檢測當前環(huán)境的光照度,通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化燈光的亮度到光照設定值，從而實現(xiàn)恒照度,這不僅可滿足人們對舒適度的要求，更能起到節(jié)能的作用，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作環(huán)境主要可以分為辦公室、走廊、電梯、衛(wèi)生間.

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall system structure

辦公室內(nèi)安裝人體紅外傳感器判斷房間內(nèi)是否有人員在辦公,若無,則LED燈保持熄滅；若有,則再通過光照度傳感器判斷周圍環(huán)境的光照強度，并調(diào)節(jié)LED燈的亮度.

走廊通過安裝聲音傳感器和光照度傳感器采集周圍環(huán)境信息,當聲音傳感器檢測到聲音且光照度傳感器感應到光照低于設定值時,LED燈亮,在沒有聲音發(fā)出時,LED燈則一直保持熄滅狀態(tài).

電梯內(nèi)安裝人體紅外傳感器,以確定電梯內(nèi)是否有人,若無人,則LED燈保持熄滅；若有人,這個傳感器會接收到信號,LED燈亮.當人離開電梯,傳感器檢測到電梯內(nèi)無人時,LED燈再次熄滅.

衛(wèi)生間LED燈和電梯LED燈控制方式相同,當人進入該區(qū)域之前,燈保持關閉,每個區(qū)域的燈組都互不影響.

2 硬件子系統(tǒng)的設計

2.1 硬件選擇

本文是基于STM32單片機的樓宇智能照明系統(tǒng)研究,該系統(tǒng)的硬件模塊功能見表1.該設計的處理器選用STM32F103RCT6芯片,在設計時可以外接收發(fā)器TJA1050,與STM32芯片內(nèi)的CAN控制器組成完整的CAN總線模塊.CAN總線收發(fā)模塊電路如圖2所示.

圖2 CAN總線收發(fā)模塊電路Fig.2 CAN bus transceiver module circuit

表1 硬件模塊功能Table 1 Hardware module function

電源模塊主要是對STM32F103芯片、人體紅外傳感器HC-SR501芯片、照度采集傳感器BH1750芯片、聲音傳感器MK152芯片和收發(fā)器TJA1050芯片等提供電能.以上芯片正常工作時的電壓為3.3 V或5 V,因此系統(tǒng)可以選用AS1117穩(wěn)壓芯片來設計電源模塊電路,該穩(wěn)壓芯片可以滿足上述的電壓需求.電源模塊電路如圖3所示.

圖3 電源模塊電路Fig.3 Power module circuit

2.2 CAN智能節(jié)點電路設計

本文主要設計辦公室、走廊、電梯、衛(wèi)生間的CAN智能節(jié)點電路.以辦公室的CAN智能節(jié)點為例,該電路通過CAN協(xié)議實現(xiàn)與上位機通信,以及與照度傳感器、人體紅外傳感器和照明執(zhí)行設備的連接,即該節(jié)點是CAN總線與傳感器和照明執(zhí)行設備的連接點.因為STM32單片機內(nèi)部有CAN控制器,因此,CAN總線模塊可以由STM3F103芯片外接收發(fā)器TJA1050組成.辦公室CAN總線智能節(jié)點硬件構(gòu)造如圖4所示.

圖4 辦公室CAN智能節(jié)點硬件構(gòu)造Fig.4 Hardware structure of office CAN intelligent node

2.3 PWM調(diào)光

隨著工藝水平和發(fā)光效率的不斷提高,LED燈具現(xiàn)已具有體積小、耗電低、壽命長、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點,因此樓宇智能照明控制系統(tǒng)可選用LED燈源對LED進行調(diào)光控制.PWM調(diào)光的本質(zhì)就是通過調(diào)節(jié)燈的通電占空比進行光照度的調(diào)節(jié)，其工作原理如圖5所示.STM32芯片可以產(chǎn)生一個PWM信號,若要使信號頻率增高或降低,則可以下調(diào)或上調(diào)寄存器TIMx_AAR的值,若要增加或減少占空比,可以下調(diào)或上調(diào)CCRx寄存器的值.在較高頻率的開、關時,由于LED燈的本質(zhì)是發(fā)光二極管,這使其在PWM調(diào)光中不會導致燈光閃爍且不產(chǎn)生過熱現(xiàn)象,并且LED的PWM調(diào)光準確度高,調(diào)光色譜無偏移﹐所以,該方案選擇PWM調(diào)光[3].

圖5 PWM工作原理Fig.5 PWM working principle

2.4 LED恒流驅(qū)動電路設計

以本文采取DM13C驅(qū)動芯片為例,該芯片可以實現(xiàn)LED的恒流驅(qū)動，工作電壓為3.3 V～5.5 V，在REXT端以一個外掛電阻調(diào)整恒流輸出.芯片的使能端EN與單片機的PWM信號輸出端口相連，out端連接LED燈組.LED恒流輸出關系可由表2及其公式估算.

表2 恒流輸出關系Table 2 Constant current output relationship

(1)

REXT端參考電壓約1.2 V,若選流經(jīng)過LED的電流50 mA為例,則：

(2)

計算得到外掛電阻R為1 kΩ.LED恒流驅(qū)動電路圖如圖6所示.

圖6 LED恒流驅(qū)動電路Fig.6 LED constant current driving circuit

3 軟件子系統(tǒng)的設計與開發(fā)

3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡

3.1.1 智能照明系統(tǒng)算法選擇

目前常用的智能照明算法有模糊控制、PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡算法等.模糊控制不能自主學習且精度及動態(tài)品質(zhì)不高.若想要提高精度就要提高量化等級,這會影響系統(tǒng)反應速度;PID控制模型不適合多變量的控制系統(tǒng);神經(jīng)網(wǎng)絡在智能控制領域是一個重要分支,有自我調(diào)節(jié)能力,且是一個多變量多輸出的模型,所以本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法.

3.1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡的原理與結(jié)構(gòu)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡是一種根據(jù)誤差反向傳播算法訓練地多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡,通過這一過程的不斷持續(xù),使輸入模式識別的精確度不斷提高.BP算法流程圖如圖7所示，神經(jīng)元拓撲結(jié)構(gòu)如圖8所示.

圖7 BP算法流程Fig.7 Flow chart of BP algorithm

圖8 神經(jīng)元拓撲結(jié)構(gòu)Fig.8 Neuron topology

圖8中，x為光照度傳感器感知外界信息的數(shù)據(jù)輸入；w為連接權(quán)值決定信號傳遞的強弱;y為控制器接收神經(jīng)元的輸出.用b代表神經(jīng)元的偏差.線性加權(quán)求和可得z神經(jīng)元凈輸入為:

(3)

圖8中，θ是神經(jīng)元的閾值,神經(jīng)元的輸出值大小取決于傳輸函數(shù),輸入信號的加權(quán)和神經(jīng)元的閾值,由此可以得到得到控制器終端節(jié)點的數(shù)據(jù)幀接收神經(jīng)元的輸出為:

yk=f(zj-θj)

(4)

通過反向傳播,對比傳感器的輸入和控制器的輸出是否相符,來判斷光照度是否達到指定要求.

3.2 總體程序設計

主程序通過C語言開發(fā),主要是結(jié)合各個子程序使之按照一定的要求運行實現(xiàn)控制照明系統(tǒng)的功能.其中主要包括以下幾個子程序:

首先，當采用智能照明系統(tǒng)時,第一步是初始化設備,例如HC-SR501通過串口指令設置它的工作狀態(tài),設置CAN總線模塊,智能節(jié)點等；

其次，通過時鐘模塊,判斷現(xiàn)在是否為工作時間,若是,則選擇與當前環(huán)境相匹配的光照模式；

最后，上位機接收由各個智能節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù),結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡通過反饋調(diào)整進行數(shù)據(jù)檢測,調(diào)節(jié)光照度.主程序流程圖如圖9所示.

圖9 主程序流程Fig.9 Main program flow chart

3.3 傳感器采集的程序設計

3.3.1 光照度傳感器

本文使用BH1750傳感器采集樓宇內(nèi)部的實時光照度.IIC總線是一種具有同步功能的串行總線,分別為數(shù)據(jù)線與時鐘線,處理器STM32F103芯片通過SCL時鐘信號端和SDA數(shù)據(jù)信號端與BH1750傳感器連接進行數(shù)據(jù)的傳輸,讀取照度數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令.BH1750部分代碼如下:

BH1750初始化函數(shù):void Init_BH1750()//BH1750初始化

IIC驅(qū)動函數(shù):void BH1750_Start()//起始信號

void BH1750_Stop()//停止信號

void BH1750_SendACK()//發(fā)送應答信號

int BH1750_RecvACK()//接收應答信號

void BH1750_SendByte()//發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)

uchar BH1750_RecvByte()//接收一個字節(jié)數(shù)據(jù)

BH1750寫入和讀取函數(shù):void Single_Write_BH1750(uchar REG_Address)//寫入指令

void mread(void)//讀取指令

獲取光照度函數(shù):float read_BH1750(void)

3.3.2 人體紅外傳感器

采用HC-SR501傳感器采集室內(nèi)的實時人數(shù),人體紅外傳感器可以感應到當前環(huán)境是否有人,若有,DATA端會輸出高電平并傳輸給STM32F103芯片.

3.3.3 聲音傳感器

采用MK152聲音傳感器采集樓宇樓道聲音,當檢測到樓道上的聲音時,模塊的OUT端輸出低電平.

3.4 CAN智能節(jié)點的程序設計

CAN智能節(jié)點在該設計中要接受來自傳感器的信號并且還要和主控制器通訊.流程圖如圖10所示.

圖10 CAN智能節(jié)點程序流程Fig.10 CAN intelligent node program flow chart

3.5 上位機模塊設計

本文采用Labview為智能照明系統(tǒng)的上位機開發(fā)軟件,傳感器將采集到的光照和房間當前人數(shù)等數(shù)據(jù)通過CAN總線協(xié)議發(fā)送給主控制器,再由主控制器通過visa驅(qū)動實現(xiàn)與Labview串口通信,其中上位機還可以向主控制器發(fā)送設定的光照參數(shù)數(shù)據(jù).如圖11所示,上位機控制界面模擬了3個不同辦公區(qū)的光照度和實時監(jiān)測的人員數(shù)目,當辦公區(qū)無人時LED燈熄滅,光照度顯示為當前環(huán)境光照度,若有人,傳感器會采集當前環(huán)境光照度的數(shù)據(jù)并于設定的值比較.若光照度高于上位機中設定的值,則LED不亮,若光照度低于上位機中設定的值,系統(tǒng)會通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法進行數(shù)據(jù)檢測,不斷地進行信號的反饋與調(diào)整,改變處理器中的PWM占空比信號來調(diào)節(jié)驅(qū)動電流,從而改變LED燈的光照度.

圖11 上位機控制界面Fig.11 Upper computer control interface

4 系統(tǒng)節(jié)能案例分析

本文以北方某高校的實驗樓作為分析對象,室內(nèi)原有熒光燈具12套,每套為2根18 W,按國家規(guī)定普通辦公室照度為300 lx,在8∶00～14∶00時段室內(nèi)光照度高于300 lx,所以不需要開燈,但在14∶00之后為滿足光照要求需打開熒光燈,但由于光照度不可控,嚴重浪費了電能.若使用本文智能照明系統(tǒng)(如圖12所示),在該實驗室內(nèi)設置3個CAN智能節(jié)點模塊,2個人體紅外傳感器可以根據(jù)響應先后判斷人員的進或出,光照度傳感器可以實時檢測光照度的強弱,并且通過CAN通訊快速準確地傳輸至主控器,對比上位機設置的參數(shù)來調(diào)節(jié)LED燈光照強弱.

圖12 傳感器位置示意圖Fig.12 Schematic of sensor location

該智能照明系統(tǒng)可自動調(diào)整LED的功率實現(xiàn)恒為300 lx的照度,根據(jù)表3所示,本文所采用的智能照明系統(tǒng)在節(jié)約能源的問題上也是切實可行的.

表3 節(jié)能統(tǒng)計檢測Table 3 Energy saving statistical detection

5 結(jié)論

本文主要針對基于STM32的智能照明系統(tǒng)進行分析,從系統(tǒng)研究方案硬件、軟件、上位機、智能算法等方面進行了詳細闡述,設計了智能照明系統(tǒng)硬件通信協(xié)議、CAN總線模塊、智能節(jié)點、傳感器節(jié)點等,以上位機為控制中心協(xié)調(diào)綁定各個節(jié)點,利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)檢測,優(yōu)化輸出光照度,并以北方某高校實驗樓為例進行了實例分析,結(jié)果表明,本文所提方案可行且有效.